用于微振动测量的微型迈克尔逊干涉仪的构建

　　将激光干涉仪应用于微小振动的测量可获得极高的准确度和灵敏度[1,2]。传统干涉仪中的激光光源多为易于干涉的气体激光器,但是其体积大、驱动电源复杂等缺点限制了它的实际应用。相比较之下,半导体激光器具有驱动电压低、功耗小、体积小、幅度和频率调制方便、寿命长、价格低等众多优越性,但是半导体激光器形成干涉并不容易。另外激光二极管的发散角较大,平行于结的发散角最大为10°,垂直于结的发散角最大为40°,所以输出的光斑截面为一椭圆形,随着距离的增加衰减很快。本文着重从迈克尔逊干涉仪的设计入手,利用现有的可见光半导体激光器加一个会聚透镜,在短光程的条件下,构建出适合实际生产和使用的微型迈克尔逊干涉仪,并且得到了明显可检的干涉条纹。文中设计的通过干涉条纹检测微小振动振幅和频率的检测电路,结构简单、性能可靠,经使用效果较好。

　　1　迈克尔逊干涉仪的设计

　　1.1　半导体激光光源特性

　　笔者采用HDA4B型红色激光二极管,其峰值波长为670 nm,阈值电流小于等于30 mA,最大输出光功率5 mW,由结平面发出一束发散光束,平行于结的发散角为10°,垂直于结的发散角最大为40°,出射光束的截面为一椭圆光斑。

　　1.2　迈克尔逊干涉仪原理

　　迈克尔逊干涉仪原理示意如图1所示,光源发出的光经分束镜分解为反射光1和透射光2,光束1垂直入射到平面反射镜M1后,沿原光路返回并且通过分束镜到达观察屏。光束2垂直入射到平面反射镜M2后,沿原光路返回并且通过分束镜反射后到达观察屏,与光束1重合。由于2束光线的频率、偏振方向、初始相位都相同,2光束的光程差仅取决于它们分别所经的路径L1和L2。只讨论M1和M2完全平行情况下的干涉,2光束的光程差为Δ=2n(L₂- L₁)。

　　2列平面波的基本干涉公式为

　　式中,I1和I2分别为2光束的光强。此式表明观察屏上的光强随光程差即2臂长度差而周期地变化。若固定L1,则当L2改变半个波长时,干涉条纹明暗交替一次。

　　由于选用短焦距的凸透镜,该干涉系统可以做得很小,并能获得良好的干涉效果。半导体激光器本身发散角较大,每路光束在屏幕上都形成一个光斑,调整2束光斑重合,在光场中即可得到干涉。干涉条纹可用光敏器件检测并由后继电路进行处理。

　　1.3　测微振动系统灵敏度与最小检测信号分析

　　传感器的噪声决定了传感器的最小探测信号,低于噪声水平的测量值不能被检测到[3]。最小检测信号(MDS)定义为当输出产生与均方根噪声相等的变化量时,输入端对应的变化量,记为M。另一个重要特性是灵敏度S(X),定义为检测量(ΔX)变化一个单位所引起的传感器输出ΔWout(X)的变化,表示为